Fotosynthese, hoofdpilaar van de biologie.

Vandaag werpen we een blik op het fenomeen van fotosynthese, een van de meest belangrijke processen zo niet de
allermeest belangrijke op deze aarde. Fotosynthese is een proces dat plaatsvind in een verscheidenheid aan organismen, bij dit proces.
Wordt koolstof gebonden en het is hierom dat een alternatieve naam: koolstoffixatie ook vaak te lezen valt.

 

De bekendste fotosynthethiserende organismen zijn uiteraard planten, maar er zijn echter ook vele kleinere organismen binnen zowel
de eukaryoten als de prokaryoten die de juiste biologische systemen hebben. In het kort is fotosynthese de omzetting van water (H20) en CO2 onder de invloed van zonlicht in glucose en zuurstof. Dit proces zorgt uiteindelijk voor alle energie, niet alleen in de plant of organisme zelf,
maar ook het hele systeem van organismen dat hierop volgt, waaronder onszelf.

Het biologische proces vindt plaats in cellen met speciale organellen (“kleine organen”) die chloroplasten worden genoemd. Dit zijn zeer complexe gelaagde structuren die dus onder invloed van zonlicht een zeer belangrijke reactie kunnen uitvoeren. In de meeste planten zijn deze organellen alleen te vinden in blad en bladstengels, al zijn er verschillende strategieën door de natuur bedacht.  Het is echter zo dat er ook reacties plaatsvinden in een ander stadium binnen hetzelfde complex dat in de tijd zeer anders is en onafhankelijk van zonlicht plaats kunnen vinden (en meestal ook uitsluitend gebeuren bij gebrek aan) dit noemen we de “donker reactie”.

Dit fenomeen geeft dan een ritmische operatie weer waar een plant mee werkt en dit kan heel belangrijk zijn. Want elk proces kan door omstandigheden worden verstoord zeker als ze temporaal zijn gescheiden zoals de reacties die we nu bespreken. Deze koppeling van reacties maakt het dus dat er een groot belang ligt voor een plant om optimale condities in de cellen aan te houden.
Planten hebben hier veel gereedschappen voor, maar het is voor ons mensen van belang om dit altijd in de gaten te houden en waar nodig ondersteuning te bieden. Zeker als wij zelf van deze planten afhankelijk zijn voor voeding of andere benodigdheden.

Wetenschappers houden de energiebalans van dit proces goed in de gaten. Hierdoor weten we met een zekere nauwkeurigheid de hoeveelheid energie of energie equivalent van dit complex aan systemen. Daarnaast word ook de hoeveelheid vastgelegde koolstof in de gaten gehouden. Het gaat om de volgende vrij grote getallen:  105 petagram (Pg= 1^15 gram, ofwel een 1 met 15 nullen) vastgelegde koolstof. De verdeling tussen land en oceaan is hierbij ook goed bekeken en hier komen we later op terug (bron Geider et al., 2001)

Koolstof fixatie in actie, zowel terrestrisch als aquatisch.

Ecologie deel I: Essentiële grondstoffen & bouwstenen

Vandaag wil ik het hebben over de ecologie: “De studie van de wisselwerking tussen organismen onderling, binnen populaties en hun leefomgeving als met de relaties tussen deze organismen en hun niet biologische omgevingsfactoren.” In het bijzonder over grondstoffen die door organismen worden gebruikt die een bijzondere rol kunnen hebben in de levenscyclus of gezondheid van het organisme en die niet altijd evenveel aandacht krijgen in de discussie. We krijgen nu een beeld van de essentie en we bespreken dit van de bodem naar boven, zowel figuurlijk als in de praktijk.

De diepste laag bestaat in ons voorbeeld uit de atomen die tezamen de organische (en dus ook de biologische) verbindingen vormen. Dit zijn: H(Waterstof), C (Koolstof), N(Stikstof), O(Zuurstof), P(Fosfor), S(Zwavel). Hiernaast hebben we nog enkele elementen die voor vrijwel alle huidige organismen (percentage is zeer hoog) als essentieel beschouwd dienen te worden. Deze elementen zijn: Mg(Magnesium), K(Kalium), Ca(Calcium), Mn(Mangaan), Fe(ijzer), Cu(Koper), Zn(Zink) en Mo(Molybdeen). Dan hebben we nog elementen die specifiek essentieel zijn voor de meeste dieren, te noemen: Na (Natrium) en Cl (Chloor) wat men wellicht als combinatie kent als keukenzout. Naast al deze elementen zijn er nog specifieke (dier)groepen die specifieke eisen hebben, vaak voor speciale functies zoals structuur/bescherming. Dit heeft betrekking op de volgende elementen; B (Boor), F (Fluor), Si(Silicium), V(Vanadium), Cr (Chroom), Co (Kobalt), Se (Selenium), Al (Aluminium) en I (Jood/Jodium). Elke groep waarvoor deze elementen belangrijk zijn zal een aparte vermelding krijgen bij het stukje voor deze groep. Zeer sporadisch kunnen er nog wat andere elementen benoemd worden die op de een of andere manier relevant kunnen zijn bij het bespreken van een organisme, dit zal vaker wel dan niet betrekking hebben op elementen die radioactief verval vertonen of die met omgevingsfactoren te maken hebben (Stabiele isotopen). Het mag duidelijk zijn dat al deze genoemde elementen biologisch beschikbaar dienen te zijn of te komen zodat de organismen er tijdens hun levenscyclus gebruik van kunnen maken.

In de praktijk betekent dit dat er een groot oppervlak van het organisme in aanraking dient te komen met het het medium waarin het zich bevindt. De benodigdheden zullen daarin dus ook voor moeten (kunnen) komen en dit is dus een punt van aandacht binnen deze discussie. Voor vaatplanten waar de focus van dit stuk op light hebben we het normaal gesproken over het wortelstelsel(systeem). Alle specialistische structuren en aanpassingen zal ik apart gaan bespreken, dit is bij andere groepen en zelfs andere planten dan vaatplanten zeer relevant. Als observatie in de natuur zien we dan dat er een grote variatie aan wortelsystemen bestaat met daarin als kern dat deze bij veel planten zeer omvangrijk is en voornamelijk als we naar de details kijken zeer complex (cultivars binnen de agrarische sector zijn hier vaak een uitzondering op). Iedere centimeter in de ondergrond is namelijk vaak van een andere samenstelling en zal dus uitdagingen voorstellen voor de wortel die daar doorheen groeit. Daarnaast is de minerale samenstelling en grote van de tussenruimte (poriën) ook verschillend, dit alles zorgt voor een uitgebreid wortelstelsel dat gebruik maakt van alle ruimte, obstakels als stenen en andere wortels omzeilt om zelf zoveel mogelijk grondstoffen binnen te krijgen. Diameter van de wortel en vertakkingsgraad is ook een factor die naar voren komt bij het bekijken van deze systemen en dit alles bepaalt voor een groot deel hoe goed de plant de levenscyclus kan gaan doormaken. Hiernaast is de hulp die veel planten krijgen van andere bodemorganismen (met name schimmels en bacteriën) essentieel, in veel gevallen letterlijk zelfs onmisbaar, deze symbiotische relaties hebben dus ook veel aandacht nodig als wij planten goed willen begrijpen. Dit zorgt ook voor een vernauwing van de bodemchemie in die zin, dat elk organisme daarin haar eigen toleranties kent, dit is bijvoorbeeld heel erg belangrijk bij veel koraalsoorten waar een klein lijkend verschil grote en dodelijke gevolgen kan hebben (koraalverbleking).

Uit alle onderzoeken blijkt dat de centrale rol binnen dit systeem eigenlijk altijd aan water toebehoort. Dit gaat dan met name over de beschikbaarheid in de bodem, het water zal immers altijd via de wortels verder (omhoog) de plant in bewegen. De plant heeft hiervoor energie nodig, maar ook voldoende water in de cellen zelf om de verbinding tussen de delen zelf goed te houden. In de praktijk wil je dus het liefst zien dat alle bodemlagen waar het wortelstelsel zich in bevindt ook daadwerkelijk toegang heeft tot beschikbaar water. Helaas is dit vaak niet het geval. Een concept uit de ecologie dat hieraan verbonden is noemen we Hulpbronnen depletie zone (Eng: Resource Depletion Zone (RDZ)). Dit concept beschrijft de mogelijkheid van een organisme om binnen een bepaalde zone of grondlaag aan de benodigde hulpbronnen te komen. Een complexe interactie met het landschap is hiermee in feite gegarandeerd en zal ten alle tijden in acht moeten worden genomen. De grondwaterstand is hierin voor (vaat)planten echt cruciaal omdat vrijwel alle belangrijke stoffen opgelost hierin de plant zullen binnenkomen. Helaas is dit in de praktijk zeer lastig op grote schaal te beheren, zeker in een agriculturele context zonder veel interventie. Dit vereist dus veel werk: met name als we ook in beschouwing nemen hoe de rest van de factoren zoals zonlicht, de temperatuur van de lucht, luchtvochtigheidsgraad en neerslag binnen dit proces van belang zijn. Dit zal in het volgende stuk aan bod komen.